Ny metasurface laser producerer verdens første super-chirale lys

Forskere har demonstreret verdens første metasurface laser, der producerer "superkiralt lys":lys med ultrahøj vinkelmoment. Lyset fra denne laser kan bruges som en type "optisk nøgle" til eller til kodning af information i optisk kommunikation.

"Fordi lys kan bære vinkelmoment, det betyder, at dette kan overføres til stof. Det mere kantede momentum lys bærer, jo mere den kan overføre. Så du kan tænke på lys som en 'optisk skruenøgle', "Professor Andrew Forbes fra School of Physics ved University of Witwatersrand (Wits) i Johannesburg, Sydafrika, der ledede forskningen. "I stedet for at bruge en fysisk skruenøgle til at vride ting (som skruemøtrikker), du kan nu skinne lys på møtrikken, og den vil stramme sig selv. "

Den nye laser producerer et nyt "snoet lys" med høj renhed, der ikke er observeret fra lasere før, inklusive den højeste vinkelmoment, der er rapporteret fra en laser. Samtidig udviklede forskerne en nanostruktureret metasurface, der har den største fasegradient, der nogensinde er produceret og muliggør drift med høj effekt i et kompakt design. Implikationen er en verdens første laser til fremstilling af eksotiske tilstande af snoet struktureret lys, på forespørgsel.

Natur fotonik i dag offentliggjorde den forskning, der blev udført som et samarbejde mellem Wits og Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) i Sydafrika, Harvard University (USA), det nationale universitet i Singapore (Singapore), Vrije Universiteit Brussel (Belgien) og CNST — Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli (Italien).

I deres papir med titlen:Høj renhed orbital vinkelmomenttilstande fra en synlig metasurface laser, forskerne demonstrerer en ny laser til at producere enhver ønsket kiral lystilstand, med fuld kontrol over begge vinkelmoment (AM) komponenter af lys, spin (polarisering) og orbital vinkelmoment (OAM) af lys.

Laserdesignet er muliggjort af den komplette kontrol, der tilbydes af en ny nanometerstørrelse (1000 gange mindre end bredden på et menneskehår) metasurface-designet af Harvard-gruppen-inden for laseren. Metasoverfladen består af mange små stænger af nanomateriale, som ændrer lyset, når det passerer igennem. Lyset passerer gennem metaoverfladen mange gange, modtager et nyt twist hver gang det gør det.

"Det, der gør det specielt, er, at for lyset, materialet har egenskaber, der er umulige at finde i naturen, og så kaldes et "metamateriale"-et skabt materiale. Fordi strukturerne var så små, ser de kun ud til at være en metaoverflade på overfladen. "

Resultatet er dannelsen af ​​nye former for chiralt lys, der ikke er observeret fra lasere før nu, og fuldstændig kontrol af lysets chiralitet ved kilden, lukker en åben udfordring.

"Der er en stærk drivkraft i øjeblikket til at prøve at kontrollere kiralt stof med snoet lys, og for at dette skal fungere, har du brug for lys med et meget højt twist:superkiralt lys, "siger Forbes. Forskellige industrier og forskningsområder kræver super-chiralt lys for at forbedre deres processer, herunder maden, computer- og biomedicinsk industri.

"Vi kan bruge denne type lys til at drive gear optisk, hvor fysiske mekaniske systemer ikke ville fungere, såsom i mikrofluidiske systemer til at drive flow, "siger Forbes." Ved hjælp af dette eksempel, målet er at udføre medicin på en chip frem for i et stort laboratorium, og kaldes populært Lab-on-a-Chip. Fordi alt er lille, lys bruges til kontrol:at flytte ting rundt og sortere ting, såsom gode og dårlige celler. Twisted light bruges til at drive mikro-gear for at få strømmen i gang, og for at efterligne centrifuger med lys. "

Den chirale udfordring

"Kiralitet" er et udtryk, der ofte bruges i kemi til at beskrive forbindelser, der findes som spejlbilleder af hinanden. Disse forbindelser har en "håndethed" og kan betragtes som enten venstre- eller højrehåndede. For eksempel, citron og appelsinsmag er den samme kemiske forbindelse, men adskiller sig kun i deres "hænder".

Lys er også kiralt, men har to former:spin (polarisering) og OAM. Spin AM ligner planeter, der snurrer rundt om deres egen akse, mens OAM ligner planeter, der kredser om solen.

"At kontrollere lysets chiralitet ved kilden er en udfordrende opgave og yderst aktuel på grund af de mange applikationer, der kræver det, fra optisk kontrol af kiralt stof, til metrologi, til kommunikation, "siger Forbes." Komplet kiral kontrol indebærer kontrol af lysets fulde vinkelmoment, polarisering og OAM. "

På grund af designrestriktioner og implementeringshindringer, kun en meget lille delmængde af kirale stater er blevet produceret til dato. Geniale ordninger er blevet udtænkt til at styre heliciteten (kombinationen af ​​spin og lineær bevægelse) af OAM -bjælker, men de forbliver også begrænset til dette symmetriske sæt tilstande. Det var ikke muligt at nedskrive en ønsket kiral lystilstand og få en laser til at producere det, indtil nu.

Metasurface laser

Laseren brugte en metasurface til at gennemstrømme lys med ultrahøj vinkelmoment, giver den et hidtil uset "twist" i sin fase, samtidig med at den styrer polarisationen. Ved vilkårlig vinkelmomentkontrol, standarden spin-orbit symmetri kunne være brudt, for den første laser til at producere fuld vinkelmomentstyring af lys ved kilden.

Metaoverfladen blev bygget af omhyggeligt udformede nanostrukturer for at frembringe den ønskede effekt, og er den hidtil mest ekstreme OAM -struktur fremstillet, med den hidtil rapporterede højeste fasegradient. Metanoverfladens nanometeropløsning muliggjorde en hvirvel af høj kvalitet med lavt tab og en høj skadegrænse, gør laseren mulig.

Resultatet var en laser, der kunne lase på OAM -tilstande på 10 og 100 samtidigt for den højeste rapporterede AM fra en laser til dato. I det særlige tilfælde, at metasurface er indstillet til at producere symmetriske tilstande, laseren producerer derefter alle tidligere OAM -tilstande rapporteret fra brugerdefinerede strukturerede lyslasere.

Fremadrettet

"Det, vi finder særligt spændende, er, at vores tilgang egner sig til mange laserarkitekturer. F.eks. vi kunne øge forstærkningsmængden og metasurface-størrelsen for at producere en bulklaser til højeffekt, eller vi kunne krympe systemet ned på en chip ved hjælp af et monolitisk metasurvedesign, "siger Forbes.

"I begge tilfælde ville lasertilstanden blive styret af pumpens polarisering, kræver ingen andre intra-hulrumselementer end selve metaoverfladen. Vores arbejde repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at fusionere forskningen inden for bulklasere med on-chip-enheder. "